At temperatur og vandkemi SMÅ SØER. talrige, oversete og oplagte studieobjekter

Transkript

1 SMÅ SØER talrige, oversete og oplagte studieobjekter Vegetation af kransnålalger er meget tæt i denne lavvandede sø. I midten står stængler af tagrør. Foto Lars Lønsmann Iversen. Hundrede tusinde små søer på under en hektar ligger spredt ud over det danske land. De udviser ekstreme variationer i temperatur, opblanding og vandkemi, som udfordrer organismernes tolerance og kalder på særlige tilpasninger. Kaj SandJensen er professor ksandjensen@bio.ku.dk Mikkel René Andersen er postdoc mrandersen@bio.ku.dk Lars Lønsmann Iversen er postdoc lliversen@bio.ku.dk Theis Kragh er lektor tkragh@bio.ku.dk Kenneth Martinsen er videnskabelig assistent Alle er ved Ferskvandsbiologisk Sektion, Biologisk Institut, Københavns Universitet og har været tilknyttet projektet Ekstreme kemiske gradienter i små søer støttet af Carlsbergfondet. At temperatur og vandkemi kan variere meget i små søer over døgn, uger og måneder har spredte målinger afsløret for længe siden. Men at variationerne også kan være ekstreme fra minut til minut og fra overfl aden til bunden på blot 50 cm vand, det overraskede os godt nok, da vi kunne åbne op for denne verden med nye automatisk registrerende målesensorer Lagdeling og omrøring hver eneste døgn Lysmålinger fortæller os om afsættelse af varmeenergi i vandet og planternes muligheder for at udføre fotosyntese, mens temperaturen afslører vandsøjlens fysik og desuden påvirker samtlige organismers aktivitet. Allerede her begynder fortællingen om de små søers særegne træk. Små lavvandede søer med vanddybder under 50 cm, som ligger eksponeret for vinden i det åbne landskab og er uden vegetation i vandet til at dæmpe omrøringen, opnår nogenlunde samme temperatur fra overfl aden til bunden. Vinden driver omrøringen helt ned til bunden ved at skabe turbulente hvirvler i vandet. Men er søen omgivet af træer, buske eller høje urter, skaber de læ og dæmper vindens påvirkning og nedsætter omrøringen i vandet. Er søvandet endvidere uklart af brunfarvede humusstoffer, som i skovsøer, eller af mange mikroalger, som i næringsrige søer, afsættes solvarmen især i vandoverfl aden, mens bundvandet forbliver koldere. Et såkaldt springlag kan opstå i søen med temperaturforskelle fra 1 til op mod 15 grader for overfl aden til bunden, selvom søen er mindre end 50 cm dyb. Har søen tæt undervandsvegetation dæmper den turbulensen i vandet, og ved overfl aden kan vandet i dagtimerne om sommeren blive 2030 grader, mens bundvandet måske blot er 15 grader, også selv om søen ligger frit eksponeret for vinden i åbent terræn. Springlag i dagtimerne er almindeligt i små søer, især om 16 AKTUEL NATURVIDENSKAB NR

2 Kontinuerlig måling af centrale miljøparametre I fl ere år har vi anvendt små (4 x 4 cm) vandtætte sensorer med indbyggede dataloggere til at måle temperatur og lys i vand. Tidsopløsningen kan indstilles fra sekunder til timer, og opløseligheden er 0,1 grad. Prisbillige er sensorerne også (400 kr. per styk). Fem sensorer på et skolebudget vil kunne afsløre dybdeprofi len i lys og temperatur i den nærliggende sø eller dam. Iltsensorerne er dyrere (ca kr.), men prisen falder. De fi ndes også med indbyggede datalogger og fungerer efter optodeprincip ved at udsende lys, der påvirkes af ilt i vandet, og returnerer til sensoren, som registrerer iltindholdet. Da de ikke kræver megen vedligeholdelse, kan de sidde ude i søerne og samle data i mange dage uden tilsyn. Også feltsensorer til løbende måling af vandstand, vandets ph og ledningsevne er nu til rådighed. Vandets ledningsevne har en tæt sammenhæng med indholdet af uorganisk kulstof. Når sammenhængen er fastlagt, er det muligt løbende at beregne indholdet af, HCO 3 (hydrogenkarbonat) og CO 3 2 (karbonat) ved måling af ledningsevne, ph og temperatur. Hidtil har udstyr til at måle i luft været meget dyrt, men det er nu også faldet voldsomt i pris, da det benyttes i stor stil i ventilationsanlæg. Et luftfyldt kammer med indbygget sensor og dataopsamling, der fl yder på vandoverfl aden kan både måle udvekslingen mellem vand og luft og s partialtryk i vandet, når luftens tryk i kammeret efter nogle minutter når ligevægt med vandets. Små, lavvandede søer med tæt vegetation opvarmes ved overfl aden om dagen (røde farver), men bundvandet er koldere (grønne farver). Temperaturforskellen mellem overfl aden og bunden udlignes om natten, når vandet ved overfl aden afkøles, bliver tungere og blander vandsøjlen op (øverste panel). Temperaturforløbet på et enkelt døgn minder om forløbet i en dyb sø over mange måneder fra forår til efterår (nederste panel). En lavvandet sø En dyb sø sommeren, og i søer med undervandsvegetation. I ni lavvandede småsøer ( m 2 og cm dybe) i åbent terræn ved Næstved optrådte springlag således på 64 % af dagene fra marts til november. På solrige dage med svag vind udviklede næsten samtlige søer springlag. Om aftenen og natten blev vandsøjlen som regel omrørt til bunden på grund af afkøling af overfladevandet. Afkølingen gør overfladevandet tungere og udløser nedadrettede vandstrømme til bunden og tvinger bundvand retur mod overfladen. Denne konvektive strømning hæmmes i mindre grad af vandplanternes tilstedeværelse end de turbulente hvirvler, som vindens påvirkninger udløser. I løbet af et enkelt sommerdøgn gennemløber en lavvandet, vegetationsrig sø således en temperaturcyklus, som ligner den, der foregår over mange måneder i større søer med dybder over 45 meter. I de større søer er der fuld omrøring af vandsøjlen om foråret ved vindens påvirkning. Om sommeren, når solindstrålingen er høj, lagdeles vandsøjlen over fl ere måneder med varmt vand ved overfl aden og koldere, tungere vand ved bunden. I efteråret, når indstrålingen falder, skaber vinden igen omrøring af vandsøjlen helt til bunden. Vandkemisk dramatik Den gentagne dannelse af springlag om dagen og konvektive opblanding om natten skaber stor kemisk dramatik i småsøer især hvis vegetationen er tæt og absorberer alt lys ved overfl aden og dermed udelukker fotosyntese ved bunden. Der opstår en situation med produktion af organisk stof ved overfl aden om dagen og udelukkende nedbrydning ved bunden hele døgnet. Herved skabes ekstreme kemiske forskelle, hvis vandmasserne ikke blandes. Fotosyntesen i det velbelyste overfl adelag skaber overmætning af ilt og stigning i ph, mens koncentrationen af og den samlede pulje af uorganisk kulstof falder. Uorganisk kulstof omfatter og de to ioner hydrogenkarbonat (HCO 3 ) og karbonat (CO 3 2 ). Forhøjet ph øger koncentrationen af karbonationer, og der kan AKTUEL NATURVIDENSKAB NR

3 0.0 a 35 Organisk stof og vandkemi Dybde (m) Ilt (μm) b Ilt ov.fl. Ilt bund Temp ( C) Produktion og nedbrydning af organisk stof påvirker vandkemien. Det foregår på følgende måde: Produktion af organisk stof ved fotosyntesen i lys følger processen mod højre i ligningen herunder, mens nedbrydningen af organisk stof går den modsatte vej mod venstre (1). Sædvanligvis dominerer hydrogenkarbonat (HCO 3 ) som kulstofkilde i vand ved produktion af organisk stof (forkortet CH 2 O): (1) HCO 3 O CH 2 O + O 2 + OH c ph ov.fl. Fotosyntesen frigør ilt (O 2 ) og hydroxylioner (OH ); sidstnævnte får ph til at stige. ph DIC (mm) d ph bund DIC bund DIC ov.fl :00 12:00 00:00 12:00 00:00 Tidspunkt Temperatur og vandkemi ved overfl aden (røde linjer) og bunden (blå linjer) i en lille vegetationsrig sø i løbet af et par sommerdøgn. Øverst: temperaturen. I midten: iltindholdet og ph. Nederst: den samlede uorganiske kulstofpulje (DIC: + HCO 3 og CO 3 2 ). Hos mange vandplanter foregår kalkdannelse sideløbende med produktion af organisk stof (2). Halvdelen af den uorganiske kulstof indbygges i organisk stof, mens den anden halvdel udfældes som kalk (kalciumkarbonat, CaCO 3 ). Kalkdannelse danner brintioner, så ph stigning undgås. Kalken kan eventuelt indgå i et skelet (koraller og visse rødalger), eller udfælde på organismernes overfl ade og her beskytte mod dyrenes gnav. (2) Ca HCO 3 O CaCO 3 + CH 2 O + O 2 Genopløsning af kalk og gendannelse af hydrogenkarbonat sker ved et højt indhold i søers bundvand og bund ( + CaCO 3 O Ca HCO 3 ) udfældes krystaller af kalciumkarbonat (kalk), som synker til bunds. Hos mange af vandplanterne er opbygning af organisk stof ved fotosyntesen endvidere direkte koblet sammen med kalkudfældning på planternes overfl ader. På den måde kan op mod halvdelen af den samlede uorganiske kulstofmængde forsvinde fra overfl adevandet i løbet af blot 12 dagtimer i småsøer med tæt vegetation. I det mørke afsondrede bundvand sker der så den stik modsatte udvikling ved nedbrydning af organisk stof. Iltindholdet og ph falder, stiger, mens kalk genopløses. Den samlede pulje af uorganisk kulstof i bundvandet stiger i mængde nogenlunde svarende til tabet fra overfl adevandet. Iltforbruget i mørke ved bunden kan være så intenst, at ilten bruges helt op. Det er en alvorlig udfordring for dyrs og planters overlevelse. Men uden ilt til stede kan de slå over på forgæring, men processen producerer meget mindre energi end respiration med ilt. Ved vedvarende iltsvind løber de derfor tør for energi. Bakteriesamfundet kan skifte fra at bruge ilt til respiration til at forbruge sulfat og iltet jern, som omdannes til henholdsvis sulfi d og reduceret jern i bundvandet. Det skaber en særlig farlig cocktail af iltfrit bundvand med sulfi d og reduceret jern, som organismerne må kunne tåle for at overleve. Ved nattens omrøring af vandsøjlen tilføres ilt atter til bundvandet og sulfi d og reduceret jern omdannes tilbage til sulfat og iltet jern. Når ilten kommer tilbage om natten kan dyr, planter og bakterier ved bunden atter genoptage respiration med ilt, efter at de har klaret sig uden ilt om dagen. Situationen er bemærkelsesværdig. De fl este tænker nok, at iltsvindet skal optræde om natten, når fotosyntesen stopper, og der ikke produceres ilt. Men her er det altså vandsøjlens lagdeling om dagen og opblanding om natten, der styrer forholdene. Iltsvindet optræder ved bunden om dagen, fordi vandsøjlen er lagdelt, mens ilten tilføres bundlaget om natten ved opblanding med det iltrige overfl adelag. Nattens opblanding stimulerer omsætningen Den tilbagevendende natlige omrøring i de lavvandede søer er vigtig ikke bare for organismernes overlevelse og bakteriernes aktivitet ved søbunden, men også for den fortsatte fotosyntese og planteproduk 18 AKTUEL NATURVIDENSKAB NR

4 Adskillige vandplanter udfælder kalk på overfl aden ved fotosyntesen. Kransnålalgen Nitella capillaris har vekslende bånd med ph 10 og ph 6 på langs af cellen. Kalken fælder ud og skalber kalkbånd ved ph 10. Heftigt kalkinkrusterede kransnålalger ligger tilbage på jordoverfl aden efter markvanding har udtørret denne sø på Øland. Fotos Rune Stefan Jensen. tion ved overfl aden om dagen. Da uorganisk kulstof og næringsstoffer forbruges i overfl adevandet, ville planteproduktionen hurtigt falde og eventuelt helt gå i stå, hvis der ikke blev tilført nye ressourcer fra bunden til overfl aden. Omrøringen om natten skaber en effektiv cirkulation af livsnødvendigt uorganisk kulstof og næringsstoffer til fornyet planteproduktion næste dag. Selv om vandets næringsindhold er beskedent, kan lavvandede søer derfor godt opbygge en høj planteproduktion ved effektiv cirkulation af næringsstoffer fra bunden til overfl aden. Omvendt vil dybe søer i samme situation have en meget mindre produktion, da mange af næringsstofferne hele sommeren forsvinder ud af cirkulation. De ophobes i bundvandet og søbunden under det permante springlag. Hvordan klarer planterne mosten? Rodfæstede planter i lavvandede småsøer med tæt vegetation oplever ekstreme kemiske forskelle fra overfl aden til søbunden og fra dag til nat. Plantevævet ved overfl aden oplever typisk ph 9,5 og 200 % iltmætning om dagen og ph 7,5 og 30 % iltmætning om natten, mens døgnforløbet er det modsatte i bundvandet og med risiko for iltsvind om dagen. Tolerancen for iltsvind har vi undersøgt hos de makroskopiske kransnålalger, fordi de udvikler særligt tætte bestande og er med til at skabe de ekstreme kemiske forhold i lavvandede søer. Det viser sig, at kransnålalgerne har en intensiv forgæring i iltfrit vand for at skaffe sig energi. De overlever endvidere i iltfrit bundvand med sulfi d og reduceret jern i 70 timer, selvom deres evne til efterfølgende at udføre fotosyntese gradvist falder til 30 % af den oprindelige i løbet af de mange timer. Gentagne iltsvind over 12 timer hver dag i bundvandet er de altså meget tolerante over for. Hvordan egentlige blomsterplanter klarer mosten, har man ikke undersøgt. De har mulighed for at transportere ilt fra skudspidsen til rødderne i de indre luftkanaler, som løber gennem planterne, mens kransnålalgerne mangler luftvæv til ilttransport fra skudspidsen til de rodlignede rhizoider i søbunden. Et udfordrende miljø for dyrelivet Mange af smådyrene i damme ånder med atmosfærisk luft, som de henter over overfl aden og omgår herved problemerne med lavt iltind AKTUEL NATURVIDENSKAB NR

5 Stor kejserguldsmed indvandrede fra syd til danske småsøer i 1994 og har siden spredt sig til vandløb og større søer. Småsøerne har været trædesten i artens spredning. Foto: Erland Refl ing Nielsen. Videre læsning: Andersen, M. R., SandJensen, K., Woolway, R. I., & Jones, I. D. (2016). Profound daily vertical stratifi cation and mixing in a small, shallow, windexposed lake with submerged macrophytes. Aquatic Sciences, 2: Andersen, M. R., Kragh, T. & SandJensen, K. (2017). Extreme diel oxygen and carbon cycles in shallow vegetated lakes. Proceeding of the Royal Society B, in press. Kragh, T., Andersen, M. R. & SandJensen, K. (2017). Profound afternoon depression of ecosystem production and nighttime decline of respiration in a macrophyterich shallow lake. Oecologia, in press. Martinsen, K. T., Andersen, M. R., Kragh, T. & SandJensen, K. (2017). High rates and close diel coupling of primary production and ecosystem respiration in small, oligo trophic lakes, Aquatic Sciences, DOI /s hold i vandet. De voksne vandkalve dykker fra overfl aden og bringer en luftboble med sig, hvis iltindhold de gradvis bruger op under dykningen. Er der ilt i vandet, får luftboblen noget ilt herfra i takt med, at dyrene bruger ilten. Men i iltfattigt vand må de hurtigere tilbage til overfl aden efter en ny luftboble end i iltrigt vand, og det koster energi og øger risikoen for at blive ædt af fjender. Bevægelige smådyr, der ikke kan optage ilt over vandet, kan i stedet fl ytte sig rundt i søen for at opsøge mikromiljøer med lempeligere temperatur og iltforhold ikke for høj temperatur og ikke for lavt iltindhold. I lavvandede søer skal de måske blot fl ytte sig 1020 cm op eller ned i vandsøjlen for at fi nde det bedste kompromis mellem temperaturen og iltindholdet. Men alligevel kan de komme i krise. Selv om de store mosesnegle er yderst robuste over for iltsvind, har vi oplevet, at de i massevis søgte til overfl aden om formidddagen i små vegetationsrige søer for hurtigt at få dækket en livstruende iltgæld. De lå fuldt eksponerede for rovfi sk og fugle i vandoverfl aden og ventilerede lungehulen i nogle timer, inden de var restituerede og igen kravlede ned på dybere vand i søen. Sagen er mere alvorlig for fastsiddende dyr. De kan ikke undslippe iltsvind og sulfi d, hvis de lever på eller nær bunden i vegetationsrige søer. Her forventer vi derfor at møde dyr, der er særligt tolerante over for lave iltkoncentrationer. Det undersøger vi i øjeblikket i en stribe små nabosøer, der ligner hinanden i størrelse og dybde, men adskiller sig fra hinanden i lysindfald og iltindhold. Resultaterne vil vise, om de ekstreme forhold tilgodeser særligt tolerante arter, og om bestemte arter kan tilpasse sig dårlige iltforhold. Det er kendt, at dafnier vandrer op og ned i vandsøjlen i løbet af døgnet, og at visse dafniearter tillige kan tilpasse sig et lavt iltindhold ved at producere iltbindende rødt hæmoglobin. Vi undersøger, om døgnfl uenymfer kan øge deres gælleareal eller tætheden af luftfyldte trachérør i gællerne, hvis iltforholdene er særligt dårlige på levestedet. Småsøernes rolle i evolutionen og arternes spredning Vi forestiller os, at småsøer kan have en særlig rolle i vandlevende arters evolution og spredning af fl ere grunde. Småsøerne er særligt talrige herhjemme er de omkring 50 gange hyppigere end store søer. De talrige småsøer varierer endvidere meget mere indbyrdes med hensyn til fysiske, kemiske og biologiske forhold end de store søer. Variation skaber muligheder og kræver forskellige tilpasninger. Ekstremerne skaber øget selektionstryk og skubber derfor på arterne for at udvikle bedre miljøtilpasninger. Talrigheden af småsøer øger mulighederne yderligere. Og de små dyrebestande i små søer øger sandsynligheden for tilfældigheder og udvikling i forskellige retninger. Så når temperaturerne stiger i disse år og kræver øget tolerance hos hjemmehørende vandlevende arter og får sydlige arter til at sprede sig mod nord, kan denne udvikling og spredning især ske i små søer. Småsøernes ekstreme miljøforhold og deres mulige betydning for arters tilpasning, evolution og geografi ske spredning gør det attraktivt at undersøge dem. De er nemme at gå til, så skoleelever og intereserede borgere kan selv gå i gang. 20 AKTUEL NATURVIDENSKAB NR